基于正交試驗橡膠混凝土力學性能影響因素研究

王立偉， 萬珊

(四川理工學院建筑工程學院， 四川自貢643000)

基于正交試驗橡膠混凝土力學性能影響因素研究

王立偉， 萬珊

(四川理工學院建筑工程學院， 四川自貢643000)

橡膠混凝土由于在某些性能上的優勢，具有廣闊的發展空間和應用前景。影響其性能的主要因素有：水灰比、橡膠細度和橡膠摻量。采用正交試驗方法，以抗壓和抗折強度為性能指標，通過回歸分析和極差方差分析確定抗壓和抗折強度影響因素的顯著性大小，得出了水灰比影響最大，橡膠細度和摻量有一定影響。其為工程實踐提供一定的參考。

橡膠混凝土；正交試驗設計；抗壓強度；抗折強度

引言

隨著我國汽車產業和橡膠工業的快速發展，廢舊輪胎和橡膠制品不斷增多。廢橡膠填埋后不易自然降解，對環境的污染較大，焚燒又會造成大氣污染，廢舊橡膠的處理已經成為嚴重的社會問題。橡膠混凝土是把橡膠研磨成粉狀或顆粒作為一種混凝土摻合料而添加到水泥混凝土中配制而成的新型混凝土。研究表明[1-2]，橡膠混凝土韌性較好，可以很好地解決混凝土的脆性問題，另外還具有輕質、彈性減震、降噪隔音、透氣透水等優點，因此把廢舊橡膠作為建材回收利用不僅可以改善混凝土原有的缺陷，而且實現了廢舊橡膠的無污染處理，具有巨大的經濟和社會意義。但是由于橡膠的摻入會造成混凝土抗壓、抗折等性能的下降，對于橡膠對混凝土抗壓、抗折性能的影響規律，目前的研究結果并不一致：有研究結果表明，橡膠的摻入對混凝土的強度影響不大[3]；也有結果表明，橡膠的摻入使混凝土的強度大幅度下降[4]。

目前，國內對橡膠混凝土的研究尚處于初步階段。在研究橡膠混凝土力學性能的影響因素時，大部分考慮單一因素變化對橡膠混凝土力學性能的影響，忽略了不同因素之間對橡膠混凝土力學性能的交互影響和加速影響[5]。基于這一考慮，本文通過設置正交試驗，研究水灰比、橡膠細度和橡膠摻量對橡膠混凝土抗壓、抗折性能的單獨影響、交互影響及加速影響，并初步確定各因素影響的顯著性大小關系，為以后橡膠混凝土的研究提供一定的依據。

1 試驗研究

1.1試驗材料

(1)水泥：采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要性能見表1。

(2)砂：采用中砂，細度模數2.8。

(3)橡膠：采用8目、16目和24目三種細度的橡膠顆粒。

(4)石子：采用人工碎石，粒徑5-10 mm占45%，10-20 mm占55%。

(5)減水劑：采用山西凱迪建材有限公司生產KDNOF-1高效減水劑。

(6)水：拌制混凝土采用實驗室自來水。

表1 水泥的主要物理性能

1.2試驗設計

橡膠混凝土的性能主要取決于混凝土的水灰比、橡膠的細度以及橡膠的摻量等因素[6]。本試驗采用正交設計原理，分析水灰比、橡膠細度和橡膠摻量對橡膠混凝土抗壓和抗折性能的影響，并對各因素采用極方差分析，確定各因素對抗壓和抗折性能影響的顯著性大小。正交試驗表見表2。

1.3試件成型與養護

參照《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)成型試塊，并將試塊按標準養護條件養護到規定齡期[7]。

2 試驗數據分析

2.1試驗結果

選用3因素3水平正交試驗，試驗結果見表2。

表2 正交試驗表

2.2試驗結果分析

2.2.1 各因素對7 d 抗壓強度的影響

水灰比是影響普通混凝土強度的主要因素。由表2試驗數據可知，隨著水灰比的增大，橡膠混凝土7 d抗壓強度降低，水灰比由0.35增大到0.55，抗壓強度降低了32.6%；隨著所摻入橡膠細度的增大，7 d抗壓強度降低，橡膠細度由8目增大到24目，抗壓強度降低了7.0%；隨著橡膠摻量的增大，7 d抗壓強度降低，摻量由3%增大到9%，抗壓強度降低了16.2%。由于各影響因素具有不同的單位量綱，為方便直觀比較各因素與7 d抗壓強度的關系，采用相對數值分析法，將量綱進行同一歸化。各影響因素與7 d抗壓強度的關系如圖1所示(橫坐標為各影響因素不同取值與各自最大值相除的歸化值)。

圖1 各因素與7d抗壓強度正交分析點圖

試驗編號為1、5和9的三組試驗作為驗證試驗。依據表2中其他六組試驗數據，通過回歸分析，得到7 d抗壓強度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fck,7=-55.16a-0.29b-1.20c+61.32

(1)

式中：fck,7為7 d抗壓強度(MPa)；a為水灰比；b為橡膠細度(目)；c為橡膠摻量(%)。

2.2.2 各因素對28 d抗壓強度的影響

由表2試驗數據，水灰比由0.35增大到0.55，28d抗壓強度降低了27.3%；橡膠細度由8目增大到24目，28 d抗壓強度降低了4.6%；橡膠摻量由3%增大到9%，28 d抗壓強度降低了11.6%。各影響因素與28 d抗壓強度的關系如圖2所示。

圖2 各因素與28 d抗壓強度正交分析點圖

通過回歸分析，得到28 d抗壓強度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fck,28=-46.54a-0.11b-1.14c+62.49

(2)

式中：fck,28為28 d抗壓強度(MPa)。

2.2.3 各因素對28 d抗折強度的影響

由表2試驗數據，水灰比由0.35增大到0.55，28d抗折強度降低了25.0%；橡膠細度由8目增大到24目，28 d抗折強度降低了8.5%；橡膠摻量由3%增大到9%，28 d抗折強度降低了14.3%。各影響因素與28 d抗折強度的關系如圖3所示。

圖3 各因素與28 d抗折強度正交分析點圖

通過回歸分析，得到28 d抗折強度與各影響因素的三元一次線性回歸方程為：

fu,28=-5.71a-0.003b-0.13c+7.99

(3)

式中：fu,28為28 d抗折強度(MPa)。

2.2.4 回歸方程驗證分析

將編號1、5和9三組試驗作為驗證試驗，回歸方程計算的預測值及與實際值的差值和相對誤差見表3。

表3 驗證試驗實測值與預測值比較

2.2.5 橡膠細度和橡膠摻量對抗壓和抗折強度的影響分析

橡膠混凝土抗壓和抗折性能與普通混凝土有較大的差別，摻入橡膠會使混凝土抗壓和抗折強度降低。造成抗壓和抗折強度下降的原因主要有：(1)橡膠顆粒可看做是混凝土中分布的微小空隙，摻入橡膠顆粒相當于增加了混凝土的空隙率，密實度降低，從而造成混凝土的抗壓和抗折強度降低[8]。(2)橡膠顆粒是非均勻的、憎水的，摻人使水泥水化產物變得不完整[9]；另外由于橡膠顆粒表面為非極性，水泥基體為極性，兩者相容性較差，因而使橡膠顆粒-水泥基體不能很好地結合，從而造成混凝土抗壓和抗折強度的降低[10]。

3 各影響因素的極方差分析

3.1各影響因素的極差分析

極差Rj反應的是第j個因素的水平變動時，試驗指標的變動幅度。Rj越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，因此也越重要。

根據極差Rj的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次。各因素對橡膠混凝土7 d、28 d抗壓強度和28 d抗折強度的極差分析見表4，其中，A為水灰比，B為橡膠細度，C為橡膠摻量，D為誤差列。

表4 試驗結果極差分析表

由表4可知，對于7 d和28 d抗壓強度，RA>RC>RB，所以各因素對7 d和28 d抗壓強度影響的主次順序為：A→C→B，即：水灰比→橡膠摻量→橡膠細度，水灰比對7 d和28 d抗壓強度的影響最大，橡膠摻量影響較小，橡膠細度影響最小；對于28 d抗折強度，RA>RB>RC，所以各因素對28 d抗折強度影響的主次順序為：A→B→C，即：水灰比→橡膠細度→橡膠摻量，水灰比對28 d抗折強度影響最大，橡膠細度影響較小，橡膠摻量影響最小。

為了進一步分析各因素對7 d、28 d抗壓強度和28 d抗折強度的顯著性大小，再進行方差分析。

3.2各影響因素的方差分析

各因素對橡膠混凝土7 d、28 d抗壓強度和28 d抗折強度的方差分析見表5，其中，A為水灰比，B▽為橡膠細度，C為橡膠摻量，D為誤差列，D▽為誤差列，∑為總和。同時，各因素在10%水平以上為較為顯著，記以“*”；在5%水平以上為顯著，記以“**”；在1%水平以上為極為顯著，記以“***”。

表5 試驗結果方差分析表

由表4、表5可知，通過對各影響因素的極差和方差分析，所得到的結論是一致的：水灰比和橡膠摻量對7 d和28 d的抗壓強度有比較顯著的影響；水灰比和橡膠細度對28 d抗折強度有比較顯著的影響。影響7 d和28 d抗壓強度的因素顯著性順序為：水灰比→橡膠摻量→橡膠細度，水灰比對7 d和28 d抗壓強度的影響最顯著，橡膠摻量影較顯著，橡膠細度影響最?。挥绊?8 d抗折強度的因素顯著性順序為：水灰比→橡膠細度→橡膠摻量，水灰比對28 d抗折強度影響最顯著，橡膠細度影響較顯著，橡膠摻量影響最小。

4 結論

(1)通過分析可以得出影響橡膠混凝土7 d和28 d抗壓強度的因素顯著性順序是水灰比→橡膠摻量→橡膠細度；影響28 d抗折強度的因素顯著性順序是水灰比→橡膠細度→橡膠摻量。隨著水灰比的增大，抗壓和抗折強度普遍下降較快；隨著橡膠摻量的增大，抗壓強度有一定的降低，抗折強度略有降低；隨著橡膠細度的增大，抗壓強度略有降低，抗折強度有一定的降低。

(2)在實踐中，影響橡膠混凝土性能的可能因素較多，可以采用本文的方法研究其他因素對橡膠混凝土性能的影響，以此為工程實踐提供一定的參考。

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Research on the Influence Factors of Rubber Concrete’s Mechanical Properties Based on Orthogonal Experiment

WANGLiwei,WANShan

(School of Architecture and Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Because of some performance advantages, rubber concrete has a broad space for development and application prospect. The main factors affecting its performance are water cement ratio, rubber fineness and rubber dosage. This paper adopts orthogonal experiment, takes the compressive strength and flexural strength as performance indexes, determines the significance of the main factors affecting the compressive strength and flexural strength by regression analysis and variance analysis, and a conclusion is obtained: the influence of water-cement ratio is significant, the rubber fineness and rubber dosage have little influence. The paper’s results can provide a certain reference for the engineering practice.

rubber concrete; orthogonal experiment design; compressive strength; flexural strength

2014-05-14

王立偉(1975-)，男，四川自貢人，講師，主要從事結構工程方面的研究，(E-mail)18869483@qq.com

1673-1549(2014)06-0063-05

10.11863/j.suse.2014.06.16

TU99

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